Recenzja rozprawy doktorskiej "Analiza procesu spalania

Prof.dr hab.inż. Andrzej Teodorczyk
Warszawa, 12 października 2015
Politechnika Warszawska
Wydział Mechniczny Energetyki i Lotnictwa
ul. Nowowiejska 25, 00-665 Warszawa
tel. 660-5226; fax. 8250-565
e-mail: [email protected]
RECENZJA
rozprawy doktorskiej mgr inż. Przemysława Grzymisławskiego
pt. „Analiza procesu spalania niskokalorycznych paliw gazowych w modelowej
komorze spalania turbiny gazowej ”
opracowana na zlecenie Dziekana Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki
Poznańskiej
Recenzowana praca ma objętość 95 stron i zawiera 9 rozdziałów oraz literaturę (60 pozycji), 9
tablic, 63 rysunki i 2 załączniki.
1. Wybór tematu rozprawy
Temat rozprawy wybrano bardzo dobrze. Autor zajął się interesującym i aktualnym problemem
wykorzystania do spalania w komorach spalania energetycznych turbin gazowych, gazów
niskokalorycznych, o dużej zawartości azotu lub dwutlenku węgla.
W Polsce występują bogate złoża gazu ziemnego o dużej zawartości azotu, które powinny być
odpowiednio wykorzystane. Dążenie do ograniczenia zużycia węgla kamiennego i brunatnego na cele
energetyczne wymusza poszukiwanie innych nośników energii, w tym biogazów. W Polsce nadal
słabo wykorzystane są w energetyce krajowe paliwa gazowe, takie jak gaz ziemny zaazotowany i
biogazy powstające z odpadów organicznych. Jedną z przyczyn tego stanu jest duża zawartość
składników inertnych (głównie azot i dwutlenek węgla) w tych gazach i wynikająca stąd konieczność
opracowania takich palników i komór spalania, które przy minimalnych modyfikacjach byłyby w stanie
spalać stabilnie i efektywnie gazy o różnej zawartości metanu i gazów inertnych. Biorąc powyższe pod
uwagę uważam wybór tematu recenzowanej rozprawy doktorskiej za bardzo trafny i bardzo aktualny.
Wiedza i doświadczenia zebrane w trakcie prac nad rozprawą zaowocują być może w przyszłości we
wprowadzaniu tej obiecującej technologii spalania gazu do polskiego przemysłu.
Celem naukowym pracy było zbadanie wpływu udziału gazów inertnych, takich jak azot i
dwutlenek węgla w mieszaninie z metanem na proces spalania i emisję NOx i CO w silnie
zawirowanym przepływie w modelowej komorze spalania turbiny gazowej. Celem praktycznym,
według autora, było opracowanie procedur pozwalających na uzyskanie stabilnych numerycznie i jak
najbliższych rzeczywistości wyników za pomocą dostępnych modeli wykorzystywanych we
współczesnych programach do obliczeń numerycznych. Autor z sukcesem przeprowadził symulacje
numeryczne badanych procesów spalania i zweryfikował je eksperymentalnie, ale recenzent nie
doszukał się w rozprawie autorskich procedur w tym zakresie. Być może oczekiwania recenzenta
rozmijają się z intencjami autora.
Wybór obszaru badawczego i tematu rozprawy uważam za trafny i w pełni uzasadniony oraz
innowacyjny dla nauki i techniki w Polsce.
2. Zawartość rozprawy, elementy nowości, oryginalność
W rozdziale pierwszym autor przedstawił bardzo krótkie wprowadzenie uzasadniające
podjęcie tematu rozprawy.
Rozdział 2 zawiera sformułowanie celu i tez pracy.
Podstawową nowością recenzowanej rozprawy jest zbadanie eksperymentalne spalania
niskokalorycznych paliw gazowych w modelowej komorze spalania turbiny gazowej. Innowacyjność
pracy i jej potencjał aplikacyjny polegają na wykazaniu możliwości wykorzystania przemysłowego
krajowych zasobów gazów ziemnych zaazotowanych, a także różnych biogazów.
Na podstawie wiedzy literaturowej i wstępnych badań własnych doktorant sformułował trzy
oryginalne tezy badawcze:

możliwe jest uzyskanie stabilnego płomienia podczas spalania paliw niskokalorycznych w
szerokim zakresie parametrów operacyjnych, takich jak skład molowy paliwa oraz
współczynnik nadmiaru powietrza.

Możliwe jest spalanie gazów ziemnych o różnym składzie molowym z wykorzystaniem jednej
geometrii palnika, bez znaczących modyfikacji.

Możliwe jest zastosowanie obliczeń CFD do modelowania procesu spalania gazów
niskokalorycznych
w
turbinach
gazowych
przy
ograniczonej
sprzętowo
wersji
oprogramowania.
W celu zweryfikowania postawionych tez autor przeprowadził badania eksperymentalne i
symulacje numeryczne.
W rozdziale 3 doktorant opisał podstawowe wielkości opisujące proces spalania, tj.
współczynnik nadmiaru powietrza, temperatura zapłonu, temperatura spalania i prędkość spalania.
Przy omawianiu temperatury spalania autor popełnił szereg nieścisłości, które wymagają komentarza.
Po pierwsze, pojęcie adiabatycznej temperatury spalania dotyczy także spalin zdysocjowanych i
niekoniecznie w warunkach izobarycznych, a także z dowolną ilością powietrza lub innego utleniacza.
Adiabatyczna temperatura spalania jest wielkością teoretyczną, gdy się ją oblicza, lub rzeczywistą,
gdy się mierzy doświadczalnie w warunkach adiabatycznych (praktycznie niemożliwe). Do
wyznaczenia teoretycznej adiabatycznej temperatury spalania konieczna jest znajomość składu
mieszaniny palnej, warunków początkowych (temperatura, ciśnienie) oraz przyjęcie składu produktów
spalania (od czego zależy wynik obliczeń). Do wyznaczenia tej temperatury konieczne jest także
przyjęcie modelu spalania, izobarycznego lub izochorycznego, bo tylko dla nich można to zrobić.
Przez temperaturę płomienia autor chyba rozumie profil temperatury w płomieniu, który
wyznacza się z równań zachowania masy pędu i energii dla przepływu z reakcjami chemicznymi. Na
stronie 16 autor pisze, że „temperatura płomienia jest liczona za pomocą mechanizmu
nierównowagowego (chyba modelu?), obejmującego tylko czas spalania mieszanki we froncie
płomienia przy użyciu równań przedstawionych poniżej”. Po czym autor przedstawia model
2
stacjonarny (bez równania zachowania pędu?) z równaniami zachowania bez członów czasowych. O
jakim więc czasie pisze tu autor?
Rozdział 4 zawiera krótki opis związków toksycznych oraz mechanizmów ich powstawania w
procesie spalania, a rozdział 5 krótki opis podstawowych zagadnień związanych ze spalaniem w
przepływie zawirowanym i przykłady palników wirowych.
W rozdziałach 3, 4 i 5 autor nie ustrzegł się kilku niedomówień i nieścisłości, do których
odnoszą się uwagi szczegółowe nr 5-10.
Istotnym niedociągnięciem rozprawy jest brak przeglądu prac innych autorów w obszarze
tematyki rozprawy, tzn. spalania gazów niskokalorycznych w przepływie, w tym, silnie zawirowanym.
Czy brak jest w literaturze badań na ten temat?
Rozdział 6 zawiera opis sprzętu do obliczeń numerycznych oraz stanowiska badawczego i
aparatury pomiarowej. Brakuje analizy dokładności pomiarów.
W rozdziale 7 autor przedstawił wyniki własnych obliczeń numerycznych podstawowych
parametrów fizycznych charakteryzujących proces spalania w zależności od współczynnika nadmiaru
powietrza oraz temperatury substratów dla paliwa metanowego z dodatkiem azotu lub CO2. Obliczenia
wykonane zostały przy użyciu zaawansowanego kodu komputerowego Cantera ze złożonym
mechanizmem chemicznym GRI 3.0 i obejmowały adiabatyczną temperaturę spalania i laminarną
prędkość spalania. Są to obliczenia standardowe w spalaniu, ale zaawansowane, wymagające wiedzy
i umiejętności posługiwania się złożonym kodem komputerowym. Wnioski z obliczeń są generalnie
poprawne jakościowo, ale bez weryfikacji z danymi doświadczalnymi. Pytania dotyczące tych obliczeń
zawarte są w uwagach szczegółowych (nr 11-13).
W drugiej części rozdziału 7 autor przedstawił oryginalne wyniki symulacji numerycznych CFD
badanych procesów spalania w modelowej komorze. Nie ma w rozprawie informacji o tym, czy
wykonano badania wpływu wielkości siatki na wyniki obliczeń. Inne pytania i uwagi krytyczne do tych
symulacji zawarte są uwagach szczegółowych (nr 14-21)
Rozdział 8 zawiera najbardziej wartościowe wyniki własnych badań doświadczalnych
doktoranta dotyczące spalania mieszanin metanowo-azotowo-powietrznych w modelowej komorze
spalania. Wielkościami mierzonymi były: rozkład temperatury i związków chemicznych w komorze
spalania, emisja związków toksycznych w kanale wylotowym, a dla paliwa wysokometanowego
(Metan-100) wykonano także pomiar rozkładu prędkości. Badania te potwierdziły możliwość
stabilnego spalania paliw niskokalorycznych w szerokim zakresie parametrów operacyjnych.
Rozprawa zakończona jest syntetycznym podsumowaniem zawierającym wnioski końcowe
oraz propozycje dalszych badań.
3. Ocena metodologiczna pracy
Zamierzony przez autora cel rozprawy wymagał zaprojektowania eksperymentu i użycia
złożonego stanowiska laboratoryjnego, przeprowadzenia zaawansowanych badań doświadczalnych
oraz przeanalizowania i opracowania wyników. Cel ten został w pełni osiągnięty i uzyskane wyniki
doświadczalne stanowią wartościowy i oryginalny dorobek naukowy autora.
Osiągnięty został także drugi cel pracy polegający na przeprowadzeniu badań numerycznych
przy użyciu zaawansowanego kodu numerycznego. Ze względu na uproszczenia i mniejszy wkład
3
innowacyjny, wartość naukowa wyników obliczeń jest mniejsza, tym niemniej stanowią one bardzo
wartościowe uzupełnienie rozprawy.
Praca dostarcza szeregu ważnych, oryginalnych informacji technicznych i interpretacji zjawisk,
będących rezultatem solidnej i wytrwałej pracy naukowej. Autor zastosował standardowe, ale
odpowiednie metody badawcze, eksperymentalne i numeryczne i wydaje się, że wydobył wszystkie
informacje zawarte w wynikach. Dyskusja wyników jest pogłębiona i poprawna.
Tezy badawcze pracy zostały udowodnione.
Rozprawa napisana jest dobrym językiem polskim, z poprawną terminologią naukowotechniczną. Jest zwięzła i konkretna, a zarazem bardzo obfita merytorycznie.
Oceniam pozytywnie postawienie problemu badawczego, metodologię przeprowadzonych
badań oraz analizę i interpretację ich wyników. Rozprawa oprócz walorów naukowych ma wartość
praktyczną.
4. Uwagi szczegółowe i edytorskie
1. W rozprawie jest sporo usterek edytorskich – wymienione zostały w Tabeli poniżej.
2. Autor w wielu miejscach rozprawy stosuje niedozwoloną jednostkę temperatury °C, zamiast
jednostki SI – K.
3. Skale całkowa i Kolmogorowa turbulencji nie są bezwymiarowe, mają wymiar [m].
4. Rysunek 1.1 jest słabo czytelny.
5. Str.18 – laminarna prędkość spalania nie jest podstawowym parametrem przepływu
laminarnego. Laminarna prędkość spalania określa prędkość spalania w warunkach
laminarnych
6. Str.20, wzór (3.18) – w jaki sposób wyznacza się średnią szybkość reakcji W?
7. Str.22, rys.3.6 – brak legendy do legendy – co oznaczają skróty literowe?
8. Str.25, rys.3.7 – w prawym górnym rogu w ramce jest niepoprawnie napisane „Mała skala
turbulencji”
9. Str.26 – Ballal i Lefebvre nie podali zależności między laminarną prędkością spalania a
poziomem turbulencji, tylko między turbulentną prędkością spalania a poziomem pulsacji
10. Str.33 – w jaki sposób liczba kryterialna S opisuje silę zawirowania?
11. Str.51 – skąd pochodzą dane wartości opałowej w Tabeli 7.1?
12. Str.53 – ściśle biorąc, najwyższą temperaturę spalania uzyskuje się dla mieszanin lekko
przebogaconych – dlaczego?
13. Czy określono granice palności mieszanin badanych w pracy: Metan-80, Metan-65, Metan-50,
CO2-10 i CO2-20?
14. Na czym szczegółowo polegały uproszczenia geometryczne zawirowywacza?
15. Dlaczego okrągłe otwory powietrza chłodzącego w komorze spalania zastąpiono szczelinami?
16. Dlaczego główne wloty powietrza zmieniono w modelu z okrągłych na kwadratowe?
17. Str.57 – skąd pochodzi informacja, że siatka obliczeniowa w 70% wpływa na dokładność
wyników? Pozostałe 30% to modele turbulencji, spalania, radiacji, itp. – jeśli tak mało
wpływają na dokładność symulacji to po co się nimi zajmować.
18. Str.62 – jakie było kryterium zakończenia iteracji? Linie na rysunku 7.9 zmieniają się do
końca.
19. W jaki sposób określono rozkład powietrza w komorze spalania przyjęty do symulacji?
4
20. Str.66, rys.7.14 – dlaczego pomiary dla różnych paliw wykonano dla niejednakowego
współczynnika nadmiaru powietrza? Jak w tej sytuacji można porównywać wyniki?
21. Str.69 – dlaczego jest różna prędkość wtrysku różnych paliw? Czy ją mierzono?
22. Str.78-80 – bardziej przejrzyste byłoby pokazanie rys.8.1 obok 8.4, rys.8.2 obok 8.5 i rys.8.3
obok 8.6.
23. Str.81 – „najwyższą temperaturą spalania charakteryzują się gazy z mniejszą ilością gazów
inertnych” – z rys.7.14 wynika co innego.
24. Str.82 – co oznacza zwrot „przepływ staje się pozytywny”?
Uwagi edytorskie:
Strona
Wiersz
g – od góry
Lp
Jest
Powinno być
d – od dołu
1
4
4g
result
results
2
4
11g, 13g, 6d
calculation
calculations
3
4
9d
prepared
prepare
4
5
5g
Kl
K
5
5
11g
aktualna ilość powietrza
strumień objętościowy powietrza
6
5
9d, 8d, 6d
cm
M
7
5
7d
°C,K
K
8
7
14d
dywersyfikacja
dywersyfikację
9
9
7d
-może
- może
10
9
5d
za
a
11
16
14d
współczynnika dysocjacji
stopnia dysocjacji
12
16
14d
substratów
produktów
13
16
12d
reagentów
substratów
14
23
6g
zachowaniu
zachowania
15
23
15g
zdolność
zdolności
16
24
6d
destabilizujące
destabilizująca
17
25
4d
natomiast rysunku
natomiast na rysunku
18
26
3d
inerntych
inertnych
19
29
14g
reagentów
substratów
20
29
8d
W zależności od temperatury
może zachodzić w różny
sposób.
W zależności od temperatury
reakcja ta może zachodzić w różny
sposób.
21
34
Wzór (5.1)
R
r
22
36
2g
ERC
ERZ
23
36
1d
na rysunku
na rysunku 5.3
24
38
8d
rozwiązaniem jest palników
rozwiązaniem palników
25
51
3d
darmowym
bezpłatnym
5
26
53
4g
inetrnych
inertnych
27
53
7g
inerntny
inertny
28
53
9g
ciepło a przez to
ciepło, a przez to
29
55
1d
znaczącą
znacząco
30
56
2g
spalana
spalania
31
57
7g
obliczeniowa
obliczeniowej
32
64
7d
temperatura ściany zostanie
temperatura ściany zostanie
…………….
33
65
3d
dla paliwa Metan,
Dla paliwa Metan-……,
34
69
4d
Metan,
Metan-….,
35
74
2d
inetrnych
inertnych
36
77
8d
wykonanie
wykonaniem
37
77
2d
rozkład
rozkłady
38
88
17d
G.P.
G.P. …………
Wymienione uwagi szczegółowe i edytorskie mają drugorzędne znaczenie dla oceny pracy.
Zachęcam autora, aby w przyszłości dokładał większej staranności w opracowywaniu wyników badań
i pisaniu prac naukowych.
5. Wniosek końcowy
Podsumowując
stwierdzam,
że
autor
przeanalizował
oryginalny
problem
naukowy,
przeprowadził własne oryginalne badania doświadczalne, wykonał obliczenia numeryczne przy użyciu
zaawansowanego
kodu
komputerowego
oraz
sformułował
wnioski
wynikające
z
badań
doświadczalnych i numerycznych.
Doktorant
wykazał
opanowanie
warsztatu
naukowego
i
umiejętność
prowadzenia
samodzielnych badań naukowych, doświadczalnych i numerycznych, analizy wyników i wnioskowania.
Doktorant posiadł umiejętność pisania rozprawy naukowej z jasno sformułowanym tytułem, celem,
tezami i zakresem pracy oraz zwięzłym, przejrzystym i precyzyjnym opisem metodologii badań i
wyników.
Reasumując, pomimo wymienionych niedociągnięć uważam, że rozprawa spełnia wymagania
stawiane przez obowiązującą Ustawę o stopniach i tytułach naukowych i stawiam wniosek o
dopuszczenie jej do publicznej obrony.
6